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东北大学硕士学位论文 摘要 现代电炉炼钢流程优化 摘要 超高功率电炉一炉外精炼一连铸已经成为一种典型的工业化生产流程。前人 在单体技术的优化方面作了很多研究，但对整体流程的优化缺乏系统地讨论。 本课题从物流之一时间流的角度出发，以超高功率电炉一l f 炉一连铸流程为 研究对象，对主要工序的时间参数进行了系统分析。以此为基础，将成熟的单体 技术有机地连接起来，使工艺流程达到整体优化的效果。 通过研究得到以下结论： ( 1 ) 只有单体技术的优化是不够的，要从流程整体优化的高度出发，才能达 到高产、优质、低耗的目标。 ( 2 ) 电炉冶炼周期小于连铸浇注周期的状况是不合理的。电炉本身蓄热量比 较大，以及耐火材料工作特点，应避免电炉长时间热停工，因此，电炉冶炼周期 应大于或等于连铸浇注周期。 ( 3 ) 连铸在两次浇注之间必须有一个准备时间，在多炉连浇时，理想的配合 关系应是：多炉浇注的总浇注时间与准备时间之和，正好等于电炉相应炉数的总 冶炼时间。 ( 4 ) 具有钢水加热手段的l f 炉是协调电炉与连铸机生产节奏，实现多炉连 浇最重要的工序。当主要工序的生产节奏都达到设计要求时，实现多炉连浇与其 它环节无关，只与各炉次在l f 炉的缓冲等待时闻有关。l f 炉的最大处理能力即 最短处理周期决定了连浇炉数。 ( 5 ) 电炉变压器的容量选择要考虑辅助能源以及通电时间的影响。l f 炉变压 器额定容量主要是钢水升温速度和l f 炉热效率的函数。 关键词电炉炼钢工艺流程多炉连浇优化时间节奏时间流物流 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i m i z a t i o no ft h em o d e r ne a f s t e e l m a k i n gp r o c e s s a b s t r a c t u h pe l e c t r i ca r c f l r i 尬c e - s e c o n d a r yr e f i n i n g c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sh a s b e c o m eat y p i c a li n d u s t r i a l i z e dp r o c e s s t l l ep r e d e c e s s o r sh a v ed o n em u c hr e s e a r c h w o r ko nt h eo p t i m i z a t i o no f m o n o m e r t e c h n o l o g y , b u tt h ed i s c u s s i o nt ot h eo 甜m i z a t i o n o f t h ew h o l e p r o c e s si sl a c k f r o mt h ea n g l eo f t h et i m ef l o w , u h pe a f l f c cp r o c e s sw a sr e s e a r c e d t h e nt h e t i m ep a r a m e t e ro ft h ek e yp r o c e s s e sw a ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e db a s e do ft h a t ，t h e m a t u r es t e e l m a k i n gt e c h n o l o g yw a sc o n n e c t e x l , w h i c hm a d et h ew h o l e p r o c e s so p t i m i z e b yr e s e a r c h e d ，s o m ec o n c l u s i o n sc a l lb ea c h i e v e d , a sf o l l o w s ： ( 1 ) t ot h et a r g e to fh i 出y i e l d ，h i 曲q u a l i t ya n dl o wc o n s u m p t i o n ，o n l yt h e o p t i m i z a t i o no fm o n o m e rt e c h n o l o g yi sn o te n o u g h ，t h eo p t i m m a t i o no ft h ew h o l e p r o c e s si si m p o r t a n t ( 2 ) t h ec a s et h a te a ts m e l t i n gt i m ei ss m a l l e rt h a nc a s t i n gt i m ei sn o tr e a s o n a b l e b e c a u s eo f e a f sl a r g et h e r m a ls t o r a g ec a p a c i t ya n dt h er e f r a c t o r y sw o r kc h a r a c t e r i s t i c ， i ts h o u l db ea v o i df o re a ft os h u td o w nf o ral o n gp e r i o d s oe a fs m e l t i n gt i m es h o u l d g r e a t e rt h a no re q u a lt oc a s t i n gt i m e ( 3 ) i nc c t h e r em u s tb eap r e p a r el i m eb e t w e e nt w oc a s t i n g s ，a n dw h e ns e q u e n c e c o n t i n u o u sc a s t i n gi so r g a n i z e d , t h ei d e a lm a t c h i n gr e a l a t i o no f t i m ei s ：t h es u mo f t o t a l c a s t i n gt i m ea n dp r e p a r et i m ei se q u a lt ot o t a lm e l t i n gt i m ew i t hc o r r e s p o n d i n gf u r n a c e n u m b e r ( 4 ) l a d l ef u r n a c e ( l f ) w i t ht h ef u n c t i o no fh e a t a n gm o l t e ns t e e l ，c a nc o o r d i n a t et h e p r o d u c t i o nr h y t h mo fe a fa n dc o n t i n u o u sc a s t e r , a tt h es a m et i m ei st h ei m p o r t a n t p r o c e s st o r e a l i z es e q u e n c ec o n s t i t u o u sc a s t i n g w h e nt h et i m er h y t h mo ft h ek e y p r o c e s s e sh a ss a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t , t h er e a l i z a t i o no fs e q u e n c ec o n s t i t u o u s c a s t i n gi si n d e p e n d e n c yt oo t h e rp r o c e s s e s ，a n do n l yi sc o h e r e n tt ot h ew a i ta n db u f f e r t i m eo f e a c hh e a t 、t h em a x i m a lt r e a t i n gc a p a c i t yo f l fd e c i d e st h en u m b e ro f s e q u e n c e c o n t i n u o u sc a s t i n g ( 5 ) t h es e l e c t i o no fe a ft r a n s f o r m e r sc a p a c i t ys h o u l dc o n s i d et h es e c o n d a r y e n e r g ya n dt h et i m eo fp o w e rt r a n s m i s s i o n l ft r a n s f o r m e r sr a t e dc a p a c i t yp r i m a y i l yi s t h ef u n c t i o no f m o l t e ns t e e l sh e a t i n g - u ps p e e da n dl f st h e r m a le f f i c i e n c y i 东北大学硕士学位论文 k e yw o r d s e a fs t e e l m a k i n g ，p r o c e s s f l o w , s e q u e n c e c o n t i n u o u s c a s t i n g ， o p t i m i z a t i o n ，t i m er h y f l l m ，t i m ef l o w , m a t e r i a lf l o w i v 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：奴拎 e t期： 助口5 年j 目砰目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：最玲 签字日期：2 舫牛弓目午日 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 钢铁材料具有良好的综合性能和易于循环利用等特点，至今仍是人类社会发 展所需的不可替代的材料。钢铁材料的回收利用简单方便，可回收利用率达5 5 ， 高于其他大批使用的材料( 玻璃为4 5 ，纸为3 5 ，铝为2 7 ，塑料为1 0 ) i l l ， 同时使用过程中锈蚀的钢铁材料也不会对环境造成污染。在钢铁保有量高的发达 国家，以废钢为原料的短流程炼钢过程已经成为和以矿石为原料的长流程生产平 分秋色的主流生产形式。通过改变成分和组织，钢铁材料的机械性能可在很大的 幅度内变化，这不仅可以满足不同结构材料的性能要求，还可大量生产耐蚀材料 和软磁材料。因此，钢铁材料是将来很长一段时间内人类继续使用的主体材料， 也符合我国的可持续发展的战略，在国民生产中起着不可替代的作用。在过去的 2 0 年里，中国的钢铁工业取得了巨大的进步，从1 9 9 6 年开始，粗钢年产量已超过 1 亿t ，现己达2 亿t ，居全球首位口】，这有力地支持了近年来国民经济持续而高速 的增长。钢铁工业的工艺流程和技术不断得到革新和发展，得到了多样化的钢铁 品种，满足了国民经济不断发展的需要；薄板坯连铸、低温轧制等高新技术的应 用使中国的钢铁工业更具有竞争力和吸引力；致力发展与环境友好、省能的新一 代钢铁工业得到了人们的广泛关注；电场、磁场、微波场及超声波等多种物理场 将大大强化钢铁产品加工过程中的化学反应和优化凝固过程，这些新技术的应用 将会对我国未来的钢铁工业带来革命性的变化。 1 1 钢铁工艺流程的发展 最近几年，我国钢铁工业进入了一个快速发展的阶段，其特征就是围绕钢铁 制造流程的优化、钢厂结构优化、钢铁工业体系优化以及把三者结合起来考虑的， 以集约化为目的，面向市场的钢铁工业重构现象。其中工艺流程方面的进展尤其 引人注目，新兴的“紧凑化”短流程的兴起和发展革新了旧有的流程概念。 所谓“紧凑化”短流程，是相对传统工艺的“散布式、全能型”长流程而言 的。其工艺结构的特点是p j ： ( 1 ) 生产设备的流水线式单线连接。流程中各个设备的生产能力为一致性匹 配，无冗余设备，各环节无冗余生产能力。 ( 2 ) 整个生产线必须具有统一、协调的生产节奏( 具有精确的时间、物流) ， 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 各主要工艺设备都为“在线”工作方式。 ( 3 ) 流程环节间关联性强。基本表现为环节间的工艺参数，控制参数的关联 性增强。环节间在物流和时间上具有完全的“遗传性”和“继承性”。 ( 4 ) 产品的专门性强。不具备长流程的万能性短流程内工艺设备的设计和 选取都是以生产某一类别或某一钢种而优化设计的，但是在同一类别内，对产品 质量的控制柔性和质量稳定性却大大增加了。 电弧炉短流程生产是近几年发展起来的电弧炉炼钢的一个主要趋势，流程为 超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸一连轧，这种流程和传统的长流程相比具有明 显的优越性，现比较如下： ( 1 ) 电炉流程的原料主要是废钢，在冶炼过程中主要是完成熔化过程的物理 热增值，因此其能耗在理论上要比高炉一转炉流程低得多。理想情况下由废钢炼 钢所需能量仅为高炉一转炉流程所需能量的l 3 ，能源总消耗只有高炉一转炉流程 的一半h 1 。建设周期短，其中废钢电炉+ c s p 流程比高炉转炉工艺流程建设投资 节省2 倍p 】。 ( 2 ) 由于流程短，运输量小( 钢铁企业的外部运输量中，炼铁以前的工序约 占8 0 ) ，因而运输费用少，占用设备和劳动力少，折旧费和人工费低，生产效率 较高。 ( 3 ) 钢铁工业对环境的污染包括粉尘、有害气体( s 0 2 、c 0 2 ) 以及对水体的 污染，其中绝大部分是在炼铁和炼铁以前的工序产生的。采用废钢进行电弧炉冶 炼，污染大幅度降低。 ( 4 ) 短流程的生产规模小，工艺简单，多建在既有废钢来源又靠近市场的地 区，因此易于获得稳定的废钢来源并能根据市场调节产品的品种、规格。 1 2 电炉炼钢工艺的发展 1 2 1 传统电炉冶炼工艺 传统的氧化法冶炼工艺操作过程包括：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出 钢六个阶段组成。主要由三期组成，俗称老三期，它是电炉炼锅的基础。 1 2 2 现代电炉炼钢冶炼工艺陋7 1 1 2 2 1 概述 传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼、合金化于一炉，包括熔化期、 - - 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 各主要工艺设各都为“在线”工作方式。 ( 3 ) 流程环节问关联性强。基本表现为环节问的工艺参数，控制参数的关联 性增强。环节间在物流和时间上具有完全的“遗传性”和“继承性”。 ( 4 ) 产品的专门性强。不具备长流程的万能性，短流程内工艺设备的设计和 选取都是以生产某类别或某一钢种而优化设计的，但是在同一类别内，对产品 质量的控制柔性和质量稳定性却大大增加了。 电弧炉短流程生产是近几年发展起来的电弧炉炼钢的一个主要趋势，流程为 超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸一连轧，这种流程和传统的长流程相比具有明 显的优越性，现比较如下： ( t ) 电炉流程的原料主要是废钢，在冶炼过程中主要是完成熔化过程的物理 热增值，因此其能耗在理论上要比高炉一转炉流程低得多。理想情况下由废钢炼 钢所需能量仪为高炉一转炉流程所需能量的l 3 ，能源总消耗只有高炉一转炉流程 的一半h 1 。建设周期短，其中废钢，电炉+ c s p 流程比高炉转炉工艺流程建设投资 节省2 倍1 5 。 ( 2 ) 由于流程短，运输量小( 钢铁企业的外部运输量中，炼铁以前的工序约 占8 0 ) ，因而运输费用少，占用设备和劳动力少，折旧费和人工费低。生产效率 较高。 ( 3 ) 钢铁工业对环境的污染包括粉尘、有害气体( s o ；、c 0 2 ) 以及对水体的 污染，其中绝大部分是在炼铁和炼铁以前的工序产生的。采用废钢进行电弧炉冶 炼，污染大幅度降低。 ( 4 ) 短流程的生产规模小，工艺简单，多建在既有废钢来源又靠近市场的地 区，因此易于获得稳定的废钢来源并能根据市场调节产品的品种、规格。 1 2 电炉炼钢工艺的发展 1 2 1 传统电炉冶炼工艺 传统的氧化法冶炼工艺操作过程包括：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出 钢六个阶段组成。主要由三期组成，俗称老三期，它是电炉炼钢的基础。 1 2 2 现代电炉炼钢冶炼工艺。1 1 2 2 1 概述 传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼、台金化于一炉，包括熔化期、 传统电炉老三期冶炼丁艺操作集熔化、精炼、台金化于一炉，包括熔化期、 - - 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 各主要工艺设备都为“在线”工作方式。 ( 3 ) 流程环节间关联性强。基本表现为环节间的工艺参数，控制参数的关联 性增强。环节间在物流和时间上具有完全的“遗传性”和“继承性”。 ( 4 ) 产品的专门性强。不具备长流程的万能性短流程内工艺设备的设计和 选取都是以生产某一类别或某一钢种而优化设计的，但是在同一类别内，对产品 质量的控制柔性和质量稳定性却大大增加了。 电弧炉短流程生产是近几年发展起来的电弧炉炼钢的一个主要趋势，流程为 超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸一连轧，这种流程和传统的长流程相比具有明 显的优越性，现比较如下： ( 1 ) 电炉流程的原料主要是废钢，在冶炼过程中主要是完成熔化过程的物理 热增值，因此其能耗在理论上要比高炉一转炉流程低得多。理想情况下由废钢炼 钢所需能量仅为高炉一转炉流程所需能量的l 3 ，能源总消耗只有高炉一转炉流程 的一半h 1 。建设周期短，其中废钢电炉+ c s p 流程比高炉转炉工艺流程建设投资 节省2 倍p 】。 ( 2 ) 由于流程短，运输量小( 钢铁企业的外部运输量中，炼铁以前的工序约 占8 0 ) ，因而运输费用少，占用设备和劳动力少，折旧费和人工费低，生产效率 较高。 ( 3 ) 钢铁工业对环境的污染包括粉尘、有害气体( s 0 2 、c 0 2 ) 以及对水体的 污染，其中绝大部分是在炼铁和炼铁以前的工序产生的。采用废钢进行电弧炉冶 炼，污染大幅度降低。 ( 4 ) 短流程的生产规模小，工艺简单，多建在既有废钢来源又靠近市场的地 区，因此易于获得稳定的废钢来源并能根据市场调节产品的品种、规格。 1 2 电炉炼钢工艺的发展 1 2 1 传统电炉冶炼工艺 传统的氧化法冶炼工艺操作过程包括：补炉、装料、熔化、氧化、还原与出 钢六个阶段组成。主要由三期组成，俗称老三期，它是电炉炼锅的基础。 1 2 2 现代电炉炼钢冶炼工艺陋7 1 1 2 2 1 概述 传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼、合金化于一炉，包括熔化期、 - - 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 氧化期、精炼期，在炉内既要完成废钢的熔化，钢液的脱磷、脱碳、去气、去除 夹杂物以及升温，又要进行钢液的脱氧、脱硫、合金化以及温度、成分的调整， 因而冶炼周期很长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电炉 生产率的提高。现代工艺只在电弧炉中保留了熔化、升温和必要的精炼，如脱磷、 脱碳，而把其余的精炼过程均移到炉外精炼工序中进行。电炉炼钢工艺上的这种 改变，大大提高了电炉设备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操 作，而把那些只需要较低功率的操作转移到钢包精炼炉内进行。并且越来越完善 的精炼技术能进一步满足钢液清洁度和严格的成分、温度控制要求。 1 2 2 2 冶金工艺操作 现代电弧炉已从过去包括熔化、氧化、还原精炼、温度、成分控制的炼钢设 备，变成仅保留熔化、升温和必要的精炼功能( 脱磷、脱碳) 的化钢设备。而其 余的冶金工作都移至钢包中进行，钢包完全可以为初炼钢液提供各种最佳精炼条 件，可对钢液进行成分、温度、夹杂物、气体含量等的严格控制，以满足用户对 钢材质量越来越严格的要求。尽可能把脱磷、甚至部分脱碳提前到熔化期进行， 而熔化后的氧化精炼和升温期只进行碳的控制和不适宜在加料期加入的较易氧化 而加入量又较大的铁合金的熔化，对缩短冶炼周期、降低消耗、提高生产率特别 有利。现代电弧炉采用留钢操作，熔化一开始就有现成的熔池，辅之以强化用氧 和底吹揽拌，为提前进行冶金反应提供良好的条件。从提高生产率和降低消耗方 面考虑，要求电弧炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间 ( 如补炉、加料、更换电极、出钢等) ，以期达到最佳经济效益。 ( 1 ) 快速熔化与升温操作 快速熔化与升温操作是当今电弧炉最重要的功能，将预热好的第一炉废钢加 入炉内后，这一过程即开始进行。为了在尽可能短的时问内把废钢熔化并使钢液 温度达到出钢温度，在现代电弧炉中一般采用以下操作来完成：以最大可能的功 率供电，氧燃烧嘴助熔，砍氧助熔和搅拌，底吹搅拌，泡沫渣以及其他强化 冶炼和升温等技术。这些都是为了实现最终冶金目标，即为炉外精炼提供成分、 温度都符合要求的初炼钢液为前提，因此还应有良好的冶金操作相配合。 ( 2 ) 脱磷操作 脱磷操作的三要素，即磷在渣钢间分配的关键要素有：炉渣的氧化性 ( t f e 0 ) 、石灰含量( c a 0 ) 和温度。随着渣q t f e o ，t c a o 的升高和温 度的降低，( p ) ( p 明显提高。因此在电弧炉中脱磷主要就是通过控制上 面三个因素来进行的。所采取的主要工艺有： 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( a ) 强化吹氧和氧一燃助熔，提高初渣的氧化性。 ( b ) 提前造成氧化性强、石灰含量较高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较 低的有利条件，提高炉渣脱磷能力。 ( c ) 及时放捧磷含量高的初渣，并补充新渣，防止温度升高后和出钢时下渣 回磷。 ( d ) 采用喷吹操作强化脱磷，即用氧气将石灰与莹石粉直接吹入熔池，脱磷 率一般可达8 0 ，并能同时进行脱硫( 脱硫率 5 0 ) 。 ( e ) 采用无渣( 或少渣) 出钢技术，严格控制下渣量，把出钢后磷降至最低。 一般下渣量可控制在2 k 鲈，对于p 2 0 5 = 1 的炉渣，其回磷量不大于00 0 1 。 出钢含磷量控制应根据产品规格、合金化等情况来综合考虑，般应 0 1 4 0 r a m 以上无缝管轧机 一0 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 合理规模：5 0 一7 0 万t 年。 ( b ) 电炉( 1 ) 一炉外精炼一圆坯连铸( x 1 ) - - 巾1 4 0 m m 以上无缝管轧机 合理规模：1 2 - 2 0 万t 年。 ( 5 ) 电炉合金钢长材型 ( a ) 电炉( 1 ) 一炉外精炼一合金钢方坯连铸机( 1 ) 一合金钢棒线材连轧 机( q b l 6 7 5 m m q b 9 0 m m ，5 0 8 0 万t 年) ( b ) 电炉( 1 ) 一炉外精炼一模铸钢锭( 或连铸坯+ 电渣重熔) 一精锻机( 3 4 万t 年) ( c ) 电炉( 1 ) 一炉外精炼一台金钢方坯连铸机( 1 ) 一合金钢棒线材连轧 机( 0 1 6 7 5 m m q b 5 5 - 2 2 r a m ，5 0 7 0 万t 年) ( 6 ) 不锈钢板材厂 ( a ) 电炉( 1 ) 一转炉( x 1 ) 真空冶金板坯连铸机( 1 ) 一炉卷轧机( 厚 度2 - 8 m m l2 7 m m ) 合理规模：8 0 1 0 0 万t 年。 延伸产品：不锈钢冷轧薄板及其深加工产品。 ( b ) 电炉( 1 ) 转炉( 1 ) 一真空冶金一板坯连铸机( 1 ) 一热带连轧 机( 厚度2 1 2 7 r a m ) 合理规模：1 0 0 1 5 0 万侔。 延伸产品：不锈钢冷轧薄板及其深加工产品。 2 2电炉炼钢流程中工序功能的演进1 2 1 2 2 1电炉的功能分化 由于高功率、超高功率电炉开发成功以及与之相适应的水冷炉壁、水冷炉顶、 偏心炉底出钢、氧燃烧嘴、炉门氧枪、废钢预热、兑入部分热铁水等技术的相继 出现，特别是与炉外精炼装置的组合运行而取消了传统电炉冶炼过程中的还原期， 使得电炉出钢出钢周期已缩短到6 0 r a i n 左右甚至更短些【i 3 l ( 圈2 1 ) ，实现了 与连铸多炉连浇工艺的协调一匹配，促进了工序装备一一对应原则下的电炉流程 全连铸生产体制，这是所谓电炉短流程综合优势得以体现的重要原因。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 圈2 1 现代电炉冶炼技术的发展1 1 3 1 f i g 2 1t h ed e v e l o p m e n to f t h em o d e r ne a fs t e e l m a l d n gt e c h n i q u e n 3 】 在上述这些条件下，电炉的主要的功能体现在以下几方面。 ( 1 ) 废钢快速熔化器 所谓短流程钢厂都是全连铸生产体制的钢厂，连铸机是全厂动态一有序运行 的核心工序。为了保证这类钢厂在多炉连浇下的连续化运行，电炉必须优化功能， 取消原有的还原期，采用图2 1 所示的许多新技术，强化熔化废钢的功能，缩短通 电时间和辅助时间，其中废钢快速熔化和钢液快速升温是最为关键的因素。现代 电炉的通电冶炼时间已可压缩到4 0 5 0 m i n ，而电炉冶炼周期的基本目标是6 0 m i n 左右。有些电炉已迈向一天冶炼3 6 炉钢的生产目标。在这个过程中电炉快速熔化 废钢的功能愈显突出。 ( 2 ) 适度脱磷、脱碳器 废钢、生铁等铁料在电炉快速熔化的氧化升温环境中，运用适当的冶炼工艺 进行适度的脱磷、脱碳反应，不仅是合理可行的，而且是经济的。 一1 1 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 ( 3 ) 能量转换器 电炉的能量转换功能主要体现在把电能、化学能有效地转换为熔化废钢的热 能，实现快速熔化、快速升温和准确控制出钢温度。由于在强化供能过程中或是 大量使用化学能和氧气的过程中，集中排放出大量的高温气体，这些高温炉气所 含能量的回收也是电炉作为能量转换器的重要目标之一。 2 2 2 炉外精炼的功能 炉外精炼装置的功能一部分是从电炉的冶金功能中分离出来的，一部分是经 过深入研究后新开发出来的( 例如真空处理、喷粉处理等) ，部分是由于全连铸 体制下炼钢厂连续运行所要求的。现代电炉炼钢流程几乎是l o o 的钢水都要经过 不同类型的炉外精炼装置，炉外精炼装置以成为钢铁制造流程中不可缺少的工序。 它的功能主要体现在以下几方面。 表2 1 炉外糟炼装置糖炼功能的演进 ! ! ! ! ! ：! ! ! ! 璺= ! ! ! ! 1 2 2 垡! 鲢! ! ! ! ! 生! 翌垡! ! ! ! 磐! 坠! 空i ! 宝：! ! ! ! 垡2 1 工序 炉外精炼功能分类 注：。表示常规使用的功能ia 表示i l l 于发展中的功能。 ( 1 ) 高效精炼器 钢的炉外精炼装置基本上已取代了传统炼钢炉所进行的绝大部分的精炼功 能，而且水平更高，能力更强。例如深度脱除钢中c 、o 、h 、n 、s 、p 等元素， 进行钢中成分最佳化调整，精确的合金化和成分均匀化，钢中非金属夹杂物的脱 除或形态控制；钢液温度的调控和均匀化等。表2 1 为炉外精炼功能的发展。 ( 2 ) 缓冲协调器 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 在电炉与连铸机协调运行时，炉外精炼装置的重要功能之一是协调一缓冲， 使电炉和连铸机稳定的实现较长时间的连续化运行。这种缓冲一协调功能主要体 现在物质流、温度、质量和时间等重要技术参数的调控上。炉外精炼装置的缓冲 协调器功能，对于全连铸车间、电炉一热轧机过程的长程高温热联结、薄板坯连 铸一连轧等先进流程技术的实施是必不可少的。 ( 3 ) 效率倍增器 在许多生产条件下，炉外精炼装置通过取代电炉冶炼的还原其功能和促进缩 短冶炼周期时间等方面的作用，对于整个炼钢流程生产效率的提高、产品质量的 提高、成本的优化都具有效率倍增的功能。 2 2 3 连铸的功能与作用 作为取代模铸和初轧( 开坯) 系统凝固、成型作用的连续铸钢装置，其功能 已经大为发展了，主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 高效凝固器 由于连铸机采用了高速流动的水作为冷却介质，使得金属( 凝固壳) 与洁净 其表面的温度始终保持着一个极高的温度梯度( 相反，模铸过程中模壁与金属凝 固壳之间的温度梯度是逐步缩小的) ，因而构成了连铸装置快速高效凝固的特点。 当然也由于连铸坯的断面相对于钢锭而言更接近成品钢材的断面并且连续拉坯， 更显示出其高效凝固的特点。 ( 2 ) 优化成形器 连铸机作为成形器的优点，首先在于它可以获得与成品热轧机能较好衔接匹 配的、经济合理的铸坯断面，而且由于铸坯长度长，单位坯重大，因而在许多情 况下可以从根本上取消初轧、开坯工序。同时，连铸机的凝固成形方式有助于实 现机械化、连续化、自动化作业；接近最终断面的连铸二连轧技术是更进一步的 成形优化，它正在促成新一代冶金工艺流程的构成。 ( 3 ) 节能器 连铸工序的节能作用，一方面是相对于模铸一均热初轧( 开坯) 而言的， 一般来讲，连铸工艺比模铸一均熟一初轧流程节能( 6 3 8 4 ) g j t 坯，提高成材 率1 0 1 5 ：同时也体现在炼钢钢的炉外精炼一连铸一连轧在物质流的高温热 连结方面。其节能的效果不仅表现在减少中间加热的能耗和提高成材率上，而且 还表现在工艺优化、输送优化带来的综合节能上。表2 2 列出了炼钢一轧钢不同生 产流程对轧钢能耗影响的比较。 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 雩一热凳u 鬻 模铸钢锭冷 1装轧制 i c c c r 模铸钢锭开 2坯后直接轧 制i c - d r 连铸坯冷装 3炉轧制 c c c c r 连铸坯热送 4 轧制 c c h c r 连铸坯直接 5热装炉轧制 c c - - d h c r 连铸坯直接 6轧制 c c 一d r o0000002 0 1 oooo o 0 o o 00 9 2 0 ooo o 1 3 4 0 0o 0 8 7 8 o oo 0 3 3 4 o 角部 。 补热 ( 4 ) 终端冶金器 连铸装置的冶金作用随着工艺、装备的成熟而越来越深刻地显示出来，连铸 装置既有化学冶金器的内涵又有物理冶金器的作用，两者都直接关联到钢产品质 量。 从化学冶金器的内涵来看，注流密封技术很好的防止了钢液再氧化，中间包 冶金以及结晶器内的保护渣技术为进一步净化钢水以及钢液的成分控制和均匀化 提供了手段。铸坯液芯压下以及二次冷却段的快速冷却对于减小铸坯的偏析程度 一1 4 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 和铸状晶的晶轴间距有明显的效果。 从物理冶金的作用来看，结晶器保护渣技术和振动技术为钢产品获得良好的 表面质量创造了重要前提，电磁技术和快速凝固技术位为获得良好的铸坯组织提 供了有效的控制手段。 2 3 电炉炼钢流程中工序功能的分布和组合优化 综上所述，可以归纳出化学冶金一凝固工序的功能分布情况以及这些功能的 效果，列于表2 3 。 表2 3 电炉炼钢工序的功能分布和组成 。t a b l e2 3t h ed i s t r i b u t i o na n d t h ec o n s t i t u t i o no ft h ee a f s t e e l m a l d u gp r o c e s s sf u n c t i o n 功能电炉炉外精炼中间包结晶器 注：效果很好；o 效果一般l 没有效果。 由此可以根据产品的特点，结合资源、能源、资金、和运输等综合条件，从 工序功能的优化出发，选择适当的工艺流程和装备水平。 钢铁生产流程科技进步的一个特点，是在对工序功能分析、分解、优化的基 础上，将改进了的工序功能在生产流程中进行再组合优化。作为再组合优化的起 源和支撑点，首先是单体工序、装置功能的组合优化，进而推进区段过程的组合 优化，再实现生产流程整体工程的组合优化。 作为单元工序( 或装置) 功能的组合优化，已经有很多成熟的技术，如：电 炉超高功率技术、电弧炉无渣出钢技术、底吹电弧炉炼钢技术等。 一1 5 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 作为区段组合优化也有很多成熟的技术，如废钢预热一电炉一钢的炉外精炼 一连铸的组合优化系统。 作为生产流程组合优化，则往往是建立在上述两类优化组合系统基础上，从 而形成现代化电炉炼钢流程的组合优化。作为流程组合优化的标志，是在工艺装 备现代化和流程网络优化的前提下，实现全流程的计算机集成控制和实现钢厂与 环境相容性的改善，进而形成与钢铁制造流程相关的工业生态链。 2 4 现代电炉炼钢流程优化现状 2 4 1 废钢的利用 二十世纪6 0 7 0 年代普遍的看法是电炉工艺的精料原则应该是使用精废钢、切 头和优质生铁。进入8 0